xyz平面において方程式 x^2+y^2+z^2=6x-2z …(1) の表す曲面と、平面α:2x-2y+z=-1 …(2)との交わりは何か、という問題で、 (1)と(2)を連立させると、 5x^2-8xy+5y^2-6x-1=0 と出るのですが、これは円の方程式ではありません。 しかし、実際は中心が (5/3,4/3,-5/3)で半径が√6の円となります。なぜ私のやり方ではきちんと円の方程式が出なかったのでしょうか?
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No.40192 - 2016/11/08(Tue) 11:49:19
| ☆ Re: / ast | | | (xy-平面に対して) 斜めに切った断面が円だからといって, (z=constant をいくつに設定したとしても) 交線の x-座標, y-座標のみたす式 (交線の xy-平面への直交射影) が円であるとは限らないですから, 何の不思議もないと思われます (いくら得られるものが円だと言っても, α の法線方向から見ないと楕円に見える). # (1) は楕円体, 5x^2-8xy+5y^2-6x-1=0 は楕円になるようなので # それでよいのではないでしょうか.
もう少し直接的には, xyz-空間内の平面図形を考えているのに z の値を無視しているから, あるいはあなたの考えている「円の方程式」は円の方程式ではないから, というふうに答えることもできるでしょう. 中学あたりから慣れ親しんでいる (xy-平面上の)「円の方程式」を xyz-空間で考えると (式に現れない z は任意の値をとるから)「円筒の方程式」であって円の方程式ではありません. 今の場合, (2) の式で x,y から z の値も決まるので z も含めて追跡すると結果として xyz-空間内の円が出てくるということになります.
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No.40193 - 2016/11/08(Tue) 14:26:54 |
| ☆ Re: / noname | | | もしかしたら不要かもしれませんが,念の為にこの問題の解答例の概要を与えておきます.
[解答例] 方程式(1)を平方完成すると(x-3)^2+y^2+(z+1)^2=10であるから,(1)が表す図形は中心が点(3,0,-1)で半径が√10の球である(楕円体の特別な場合).この球をCとする.ここで,点と平面の距離の公式より,球Cの中心と平面αの距離は
|2・3-2・0+(-1)+1|/√(2^2+(-2)^2+1^2)=2.
よって,三平方の定理より球Cの平面αによる断面の円の半径は√((√10)^2-2^2)=√6より√6である.
次に,断面の円の中心を求める.中心の座標を(a,b,c)と設定する.平面αの法線ベクトルの一つとして↑n=(2,-2,1)がある.よって,実数kを用いて次のベクトルの成分に関する式が成り立つ.
(a,b,c)-(3,0,-1)=k(2,-2,1). ∴(a,b,c)=(2k+3,-2k,k-1).
ところで,ベクトルk↑nの大きさは2である必要があるから,|k↑n|=2の成立が必要であり,これをkについてとくとkの値が得られる.この時,球Cの中心が平面αに対して上側或いは下側のどちらの側にあるのかを調べ,kの値を決定せよ.その後で,今得られたkの値を用いると断面の円の中心の座標を求めることが出来る.
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No.40194 - 2016/11/08(Tue) 15:26:01 |
| ☆ Re: / angel | | | 既に回答がありますが、うさんの出した式は別に間違ってはいなくて、楕円柱 ( の側面 ) を表すものです。 色々な向きで切断すると、色々な楕円ができるのですが、αに平面に切断すると丁度円になります。
さて。xy平面の場合、 * 等式が1つ … 直線や曲線 直線y=x+10, 円x^2+y^2=4 等 * 等式が2つ … 点 x=0,y=0なら原点、y=x,x+y=10なら(5,5) 等
となりますが、今回のようにxyz空間だと、事情が変わってきます。 * 等式が1つ … 平面や曲面 平面x+y+z=1, 球面x^2+y^2+z^2=1 等 * 等式が2つ … 直線や曲線 直線x=y/2=z/3, 今回の問題の円 * 等式が3つ … 点 です。
例えば、xy平面であれば、曲線の1つである円を表す x^2+y^2=1 であっても、xyz空間では、曲面である円筒 ( 円柱の側面 ) なのです。
※強引にまとめれば、より少ない等式で表すこともできるのですが、あまり意味がないので割愛します。
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No.40203 - 2016/11/08(Tue) 19:56:24 |
| ☆ Re: / う | | | No.40204 - 2016/11/08(Tue) 21:01:39 |
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